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Devoirs

Physique - Chimie
Première ES - L

Notice individuelle
Devoirs 1 à 3

Rédaction

Jean Bousquet
Jean-Paul Busnel
Guy Le Parc

Coordination Pierre Rageul

Ce cours a été rédigé et publié dans le cadre de l’activité du Centre National d’Enseignement à Distance, Site de Rennes. Toute autre utilisation, notamment
à but lucratif, est interdite.
Les cours du Cned sont strictement réservés à l’usage privé de leurs destinataires et ne sont pas destinés à une utilisation collective. Les personnes qui
s’en serviraient pour d’autres usages, qui en feraient une reproduction intégrale ou partielle, une traduction sans le consentement du Cned, s’exposeraient
à des poursuites judiciaires et aux sanctions pénales prévues par le Code de la propriété intellectuelle. Les reproductions par reprographie de livres et
de périodiques protégés contenues dans cet ouvrage sont effectuées par le Cned avec l’autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
(20, rue des Grands Augustins, 75006 Paris).

Imprimé au Cned - Site de Rennes 7 rue du Clos Courtel 35050 Rennes Cedex 9

D evoirs


1à3

Devoirs – SP13-14

7

D evoir 1

à envoyer à la correction

Attention



Collez l’étiquette codée SP13 – DEVOIR 01 sur la 1re page
de votre devoir. Si vous ne l’avez pas reçue, écrivez le code
SP13 – DEVOIR 01, ainsi que vos nom et prénom.

Important



La saisie informatisée des devoirs ne permet aucune erreur de
code.
Veuillez réaliser ce devoir après avoir étudié la séquence 1.



Exercice 1 : (10 points)
On considère une lentille de distance focale + 3,0 cm.
 Cette lentille est-elle divergente ou convergente ?
Calculer la vergence de la lentille.
 Refaire le schéma ci-dessous sur une feuille de papier millimétré et placer sur le schéma
le centre optique O et les foyers F et F’ de la lentille.

1 cm

 Tracer l’image A’B’ de l’objet AB placé à 7,0 cm de la lentille. Justifier la méthode utilisée.

B
A
–7

–6

–5

–4

–3

–2

–1

1

2

3

4

8

7

6

5

9

1 cm
Échelle : 1 graduation correspond à 1 cm

 Déterminer la grandeur OA' en utilisant la formule de conjugaison

1



1

OA' OA
Retrouve-t-on la même valeur de OA' sur la construction graphique ?

=

1
.
f'

 Exprimer le grandissement γ .
Sachant que AB = 1 cm , calculer le grandissement en utilisant la construction graphique.

Devoir 1 – SP13-14

9

Exercice 2 : (10 points)
L’image par l’œil myope, d’un objet à l’infini se forme à 15 mm du cristallin (du centre
optique de la lentille) alors que la rétine est à 17 mm du cristallin. Cet œil est donc trop
convergent.
 Faut-il augmenter ou diminuer la distance focale en corrigeant l’œil ?
 Quelle doit être la nouvelle distance focale f de l’œil corrigé avec un verre de lunette ?
 Quelle doit donc être la nouvelle vergence V de l’œil corrigé avec ce verre de lunette ?
 Sachant que la vergence de deux lentilles accolées est équivalente à la somme des vergences des deux lentilles :

V = V1 + V2 , quelle est la vergence du verre de lunette qu’il faut ajouter pour corriger l’œil ?
S’agit-il d’un verre convergent ou d’un verre divergent ?
 On regarde le drapeau français (bleu, blanc, rouge) à travers un filtre et on observe alors
les couleurs du drapeau belge (noir, jaune, rouge).
Quel est le filtre utilisé ? Justifiez en détail la réponse. 

N’oubliez pas de joindre la notice individuelle que vous trouverez dans ce livret, avec le 1er
devoir, pour le professeur correcteur. Elle est également téléchargeable sur votre site de
formation

10

Devoir 1 – SP13-14

D evoir 2

à envoyer à la correction

Attention



Collez l’étiquette codée SP13 – DEVOIR 02 sur la 1re page
de votre devoir. Si vous ne l’avez pas reçue, écrivez le code
SP13 – DEVOIR 02, ainsi que vos nom et prénom.

Important



La saisie informatisée des devoirs ne permet aucune erreur de
code.
Veuillez réaliser ce devoir après avoir étudié la séquence 2.



Exercice 1 : (6 points)
Le nitrate d’ammonium est un engrais dont le schéma de synthèse est donné ci-dessous :
air

gaz naturel

ou

pétrole

2
ammoniac

1
3

air

acide nitrique

nitrate d’ammonium
On rappelle les formules chimiques de l’ammoniac : NH 3 , de l’acide nitrique : HNO3 et du nitrate
d’ammonium : NH 4 NO3
 Quels sont les deux principaux constituants de l’air et dans quelles proportions approximatives peut-on les trouver ?
 Quel est le réactif (2) apporté par l’air et qui va servir pour la synthèse de l’ammoniac ?
 Quel est le réactif (1) qui est un corps simple sous-produit du pétrole ou du gaz naturel et
qui va servir pour la synthèse de l’ammoniac ?
 Ecrire et ajuster si nécessaire l’équation de la réaction de synthèse de l’ammoniac.

Devoir 2 – SP13-14

11

 Pour obtenir l’acide nitrique, à partir de l’ammoniac, on passe par plusieurs étapes : transformation de l’ammoniac en monoxyde d’azote (NO), puis transformation du monoxyde
d’azote en dioxyde d’azote ( NO 2 ) et enfin, transformation du dioxyde d’azote en acide
nitrique. Quel est le réactif (3) apporté par l’air et qui va servir pour la synthèse de l’acide
nitrique ? Compléter les équations correspondant aux trois étapes de la synthèse :

4 NH 3 + ...... → ..... + 6 H 2O
2 NO + ...... → .....
4 NO 2 + 2 H 2O + .... → 4 HNO3
 Ecrire et ajuster si nécessaire l’équation de la réaction de synthèse du nitrate d’ammonium.
 Le 28 juillet 1947, un cargo « l’Ocean Liberty », qui transportait des sacs de nitrate d’ammonium, a sauté dans le port de Brest. On a dénombré des pertes humaines et matérielles. Le quartier Saint Marc a été particulièrement touché.
Quelle propriété du nitrate d’ammonium cet événement douloureux survenu à Brest metil en évidence ?
Dans l’industrie, à quel moment de la synthèse du nitrate d’ammonium devra-t-on se
montrer particulièrement prudent ?

Exercice 2 : (8 points)
On vend, dans le commerce, des carafes filtrantes qui promettent aux consommateurs une
eau de meilleure qualité et ayant un meilleur goût.
Pour cela, elles possèdent une quadruple filtration :
– la première élimine les particules présentes dans l’eau du robinet,
– la deuxième permet, grâce à une résine échangeuse d’ions, de diminuer, de manière significative, la dureté de l’eau en diminuant les teneurs en ions calcium et magnésium ainsi
que les teneurs en ions métalliques de l’aluminium, du cuivre (Cu2+) et du plomb (Pb2+),
– la troisième permet, grâce au charbon actif, d’éliminer la plus grande partie du chlore et
des pesticides,
– la quatrième utilise un filtre fin qui retient le mélange de particules.
La notice d’utilisation ajoute deux recommandations :
– changer la cartouche filtrante au moins une fois par mois,
– l’eau filtrée, débarrassée du chlore, doit être placée au réfrigérateur et consommée dans
les 24 heures.
Données : numéros atomiques Mg (Z=12), Al (Z=13), Ca (Z=20).

12

Devoir 2 – SP13-14

A – L’eau du robinet
 Comment qualifie-t-on une eau propre à la consommation ?
 L’eau du robinet qui est propre à la consommation, peut-elle être assimilée à un mélange
homogène ou un mélange hétérogène ?
 Une filtration a-t-elle un effet sur un mélange homogène ?
 Pourquoi l’eau du robinet contient-elle du chlore ?
 Pourquoi l’eau du robinet peut-elle contenir des pesticides ?
 Quels sont les deux ions responsables de la dureté d’une eau ?
 Citer deux inconvénients qui peuvent survenir, lorsqu’on utilise une eau du robinet trop
dure.

B – La carafe filtrante
 Donner les formules chimiques des ions que la résine échangeuse d’ions de la carafe est
susceptible d’éliminer.
 Quelles sont les substances que le charbon actif de la carafe est susceptible d’éliminer.
 Pourquoi la notice d’utilisation préconise-t-elle de changer la cartouche filtrante au
moins une fois par mois ?
 Pour vérifier l’efficacité de la carafe, on décide de doser l’eau du robinet, et cette même
eau filtrée par la carafe, par une solution d’EDTA, qui réagit avec les deux ions qui sont
responsables de la dureté de l’eau. On réalise ce dosage en présence d’un indicateur
coloré qui est rose lorsqu’il se trouve en présence des ions responsables de la dureté de
l’eau et qui devient bleu, lorsque ces ions n’existent plus.





Devoir 2 – SP13-14

13

Schéma du dispositif de dosage

burette graduée

solution d’EDTA
à 0,01 mol/L

Veau = 10 mL
+ solution tampon
+ qqs gouttes NET
aimant
agitateur magnétique
a) Quelle est la couleur de l’indicateur coloré au début de dosage ? et à la fin du dosage ?
b) On dose successivement 20 mL d’eau du robinet, puis 20 mL d’eau filtrée. Dans le premier cas, on obtient le virage après avoir versé 6,7 mL de la solution d’EDTA et, dans le
second cas, on obtient le virage après avoir versé 2,9 mL de la solution d’EDTA. La carafe
est-elle efficace pour diminuer la dureté de l’eau ?
c) Si la dureté de l’eau du robinet est de 28°F, quelle sera sa dureté après être passée dans
la carafe.
Donnée : La dureté d’une eau exprimée en °F est proportionnelle au volume de la solution
d’EDTA versé pour obtenir le virage de l’indicateur, lors du dosage.

Exercice 3 : (6 points)
Pour prépare une vinaigrette, une ménagère verse, dans un bol, 5 cuillères à soupe d’huile
d’olive, un peu de moutarde et de poivre. Tout en remuant avec un fouet, elle ajoute une
cuillère à café de vinaigre (mélange homogène composé essentiellement d’eau et d’acide
éthanoïque) ainsi qu’une pincée de sel. Elle fouette énergiquement jusqu’à obtenir un
mélange opaque.
Pour laver le bol qui a servi à préparer la vinaigrette, elle le rince d’abord à l’eau du robinet.

14

Devoir 2 – SP13-14

Elle constate que les parois du bol restent graisseuses. Elle utilise alors une faible quantité
de liquide vaisselle dont l’étiquette est reproduite ci-dessous :
– Agents tensio-actifs anioniques
– Agents tensio-actifs non ioniques
– Parfums
– Autres espèces chimiques
Elle verse d’abord le liquide vaisselle puis elle fait couler de l’eau du robinet dans le bol.
Une mousse abondante se forme. Elle rince alors le bol et elle constate que le récipient est
correctement lavé : les traces de matière grasse ont disparu.

A – La vinaigrette
 Définir le terme «miscible».
 Citer deux espèces chimiques présentes dans la vinaigrette et miscibles entre elles. Justifier.
 Citer deux espèces chimiques présentes dans la vinaigrette et non miscibles entre elles.
Justifier.
 En préparant la vinaigrette, la ménagère a réalisé une émulsion. S’agit-il d’une émulsion
«eau dans l’huile» ou «huile dans eau» ? Justifier.
 Donner les définitions des termes «hydrophile» et «hydrophobe».
 Quelle propriété des lipides permet d’expliquer leur caractère hydrophobe ?
 En dehors de ses propriétés gustatives, la moutarde joue-t-elle un autre rôle dans la
confection de la vinaigrette ?

B – La vaisselle du bol
 Dans la composition du liquide vaisselle, quelles sont les espèces chimiques qui sont
essentielles à l’élimination des corps gras présents sur le bol ?
 Décrire la structure de la molécule d’un agent tensio-actif ?
 Deux types d’agents tensio-actifs sont cités sur l’étiquette. Quelle est leur différence ?
 Lors de l’action d’un agent tensio-actif il y a formation de micelles. Dans le cas du lavage
du bol ayant contenu la vinaigrette décrire à l’aide d’un schéma annoté une de ces
micelles. 

N’oubliez pas d’envoyer la notice individuelle si vous ne l’avez pas jointe avec le 1er devoir.

Devoir 2 – SP13-14

15

D evoir 3

à envoyer à la correction

Attention



Collez l’étiquette codée SP13 – DEVOIR 03 sur la 1re page
de votre devoir. Si vous ne l’avez pas reçue, écrivez le code
SP13 – DEVOIR 03, ainsi que vos nom et prénom.

Important



La saisie informatisée des devoirs ne permet aucune erreur de
code.
Veuillez réaliser ce devoir après avoir étudié la séquence 3.



Exercice 1 : L’hydrogène, énergie du futur ? (8 points)
Lire attentivement l’article ci-dessous. Après lecture de chaque paragraphe, il faut répondre
à la question qui figure à la fin du texte. Votre devoir doit indiquer, avant chaque réponse, le
numéro de la question étudiée (mais, bien entendu, il ne faut réécrire ni le texte ni l’énoncé
de la question). Chaque réponse doit être limitée à quelques lignes.
Chaque question est notée sur deux points : 1 pt pour la partie a et 1 pt pour la partie b.

Texte de l’article
La combustion de l’essence dans l’air fournit de l’énergie. Mais cette combustion provoque
un dégagement de dioxyde de carbone qui est un gaz à effet de serre.
La réaction du dihydrogène (H2) avec le dioxygène (O2) fournit aussi de l’énergie, mais cette
combustion ne donne pas de dioxyde de carbone.

Question 1 (voir à la fin du texte)
Cette réaction peut être réalisée en faisant brûler directement le dihydrogène dans le dioxygène, l’énergie est alors libérée par la réaction sous forme de chaleur. Mais on peut également faire réagir le dihydrogène avec le dioxygène dans une pile à combustible. Il y a alors
passage du courant dans le circuit d’utilisation connecté aux deux électrodes et une partie
de l’énergie dégagée par la réaction chimique est transformée en énergie électrique. Le
dioxygène étant abondant dans l’air, on dispose ainsi, avec un réservoir de dihydrogène,
d’une source d’énergie propre.

Question 2 (voir à la fin du texte)
Malheureusement, le dihydrogène n’existe pas à l’état naturel. On peut le fabriquer à partir de l’eau
liquide, mais il faut bien reconnaître alors que l’utilisation de dihydrogène «source d’énergie propre»
revient bien souvent à déplacer le problème de la pollution sans le supprimer.

Devoir 3 – SP13-14

17

Question 3 (voir à la fin du texte)
La meilleure solution est d’utiliser des panneaux solaires photovoltaïques placés sur le
toit des habitations. L’énergie solaire est alors transformée en énergie électrique, ce qui
permet de décomposer l’eau en dihydrogène et dioxygène. Le dihydrogène doit ensuite être
stocké pour permettre de faire fonctionner les appareils électroménagers même lorsque
l’ensoleillement a disparu. Le dihydrogène obtenu peut également être utilisé pour faire
fonctionner des véhicules. Mais ce stockage du dihydrogène pose problème puisqu’il est
gazeux à température ambiante et ne se liquéfie qu’à – 253°C. Toutefois, il peut être stocké
sous forme de composés métalliques solides appelés hydrures. Pour assurer les besoins
d’une famille européenne (hors chauffage) pendant une semaine, il faudrait stocker trois ou
quatre kilogrammes de dihydrogène.

Question 4 (voir à la fin du texte)

Énoncé des questions
Question 1
a) Qu’appelle-t-on gaz à effet de serre ?
b) Quel produit de réaction fournit la combustion du dihydrogène dans le dioxygène ? Écrire
l’équation de cette réaction.

Question 2
a) On a représenté ci-contre le schéma de fonctionnement d’une pile à combustible. On indique
ci-dessous les réactions qui se produisent à
l’anode et à la cathode d’une telle pile :

circuit d’utilisation

Réaction à l’anode : H2 → 2 H+ + 2e −

Réaction à la cathode : O2 + 4 H+ + 4e − → 2 H2O
En déduire les polarités de la pile.
b) Dans les réactions écrites ci-dessus, deux électrons sont libérés à l’anode alors que quatre
électrons sont captés à la cathode. Que répondriez vous à quelqu’un qui vous demanderait
d’où viennent les deux électrons en trop ?

H2

air

H+

Électrolyte

Anode

Cathode

Question 3
a) Indiquer comment on produit industriellement du dihydrogène à partir de l’eau liquide.
b) Expliquer pourquoi on peut dire bien souvent qu’on a simplement déplacé le problème
de la pollution sans le supprimer quand on utilise du dihydrogène comme source d’énergie propre.

18

Devoir 3 – SP13-14

Question 4
a) Pourquoi le stockage d’un gaz est-il plus problématique que celui d’un liquide comme
l’essence ?
b) Sachant que la combustion d’un kilogramme de dihydrogène libère une énergie de 120
MJ dont environ la moitié peut être convertie en électricité dans une pile à combustible,
quelle masse de dihydrogène faut-il stocker pour assurer une semaine de consommation
pour une famille française si on admet que l’énergie dépensée (hors chauffage) vaut en
moyenne 3000 kilowattheures par an ?

Exercice 2 : Un million de joules ! (7 points)
Le but de cet exercice est de calculer comment obtenir une énergie E égale à 1,0 MJ (un
million de joules) en utilisant différentes sources d’énergie. Cette valeur de un million de
joules peut paraître très grande, mais il ne faut pas oublier que le Joule est une unité de
faible valeur : avec une énergie de un joule, on ne peut (au mieux) soulever une masse de
un kilogramme posé sur le sol terrestre que d’une hauteur de dix centimètres
 Un radiateur électrique consomme une puissance électrique P = 1,0 kW. On admet que
cette puissance électrique consommée est intégralement convertie en puissance thermique fournie au milieu ambiant. Pendant combien de temps doit fonctionner le radiateur pour qu’il fournisse au milieu ambiant une énergie E = 1,0 MJ (sous forme de chaleur) ?
 La fission d’un noyau d’uranium 235, de masse 3,9.10−25 kg, libère une énergie d’environ 200 MeV. (Le MeV, ou mégaélectronvolt, est une unité d’énergie qui vaut 1,6.10−13
J). De quelle masse d’uranium 235 faudrait-il disposer pour que les réactions de fission
libèrent une énergie E = 1,0 MJ (on suppose que tous les noyaux subissent la fission et
on assimile la masse des noyaux avec celle des atomes).
 Sachant que 1 tep = 42 GJ , de quelle masse de pétrole doit-on disposer pour obtenir (par
combustion du pétrole) une énergie E = 1,0 MJ ?
 Si l’on prend la valeur de 1,0 kW par mètre carré comme valeur de la puissance du rayonnement solaire reçu au niveau du sol, quelle surface de capteurs doit-on prévoir pour
qu’ils reçoivent l’énergie E = 1,0 MJ en cinq minutes ?
 Pour augmenter de 1,0 °C la température d’un litre d’eau liquide (donc 1 kg), il faut lui
fournir une énergie de 4200 J. Cette énergie égale à 4200 J est restituée par l’eau au
milieu ambiant lorsqu’elle se refroidit de 1,0 °C.
Quelle masse d’eau liquide se refroidissant de 90°C à 20°C pourrait nous fournir une
énergie E = 1,0 MJ ?
 Une rivière a un débit de 10,0 m3 par seconde (donc 10 tonnes par seconde, soit 1,0.104
kg par seconde). Une dénivellation provoque la chute de l’eau sur une hauteur de dix
mètres.
a) Quelle est, en joules, la valeur de l’énergie potentielle perdue par chaque kilogramme
d’eau qui tombe d’une hauteur de dix mètres ?
On rappelle que l’énergie potentielle de pesanteur perdue par un objet de masse M qui
tombe d’une hauteur h vaut : Mgh, en notant g = 10 m.s−2 l’intensité du champ de pesanteur.

Devoir 3 – SP13-14

19

b) Bien entendu, l’énergie potentielle n’est pas réellement « perdue » : elle est transformée en énergie cinétique et on suppose qu’une petite turbine, située à la base de la
chute d’eau convertit l’énergie cinétique en énergie électrique. Si la totalité de l’énergie
potentielle perdue par l’eau se retrouvait sous forme d’énergie électrique, pendant combien de temps devrait fonctionner cette centrale hydroélectrique pour fournir une énergie
E = 1,0 MJ ?

Exercice 3 : Radioactivité de l’iode 131 (5 points)
 Donner la composition du noyau d’iode 131 : 131I .
53

 Parmi les deux noyaux ci-après que l’on a désigné par les lettres X et Y : 127 X et
53
131 , lequel est un isotope de l’iode ? Expliquez.
Y
54
 L’iode 131 est présent dans les déchets radioactifs des centrales nucléaires.
a) Expliquez en une ligne quelle est la source d’énergie des réacteurs nucléaires.
b) Qu’est-ce qu’un noyau radioactif ?
 L’iode 131 est radioactif (il se transforme en Xénon), et sa demi-vie vaut T = 8,0 jours.
Si on dispose de 160 000 noyaux d’iode 131, combien en restera-t-il au bout de huit jours ?
Au bout d’un mois (on considérera qu’un mois est égal à quatre fois la demi-vie de l’iode
131) ?
 En cas d’accident dans un réacteur avec rejet de produits radioactifs, l’iode 131 risque
d’être ingéré par la population sous forme d’aliment. Dans l’organisme, l’iode se fixe
préférentiellement sur la thyroïde.
a) Pourquoi la radioactivité est-elle dangereuse pour les organismes vivants ?
b) Pour la protection des populations, il est prévu de distribuer, en cas d’accident nucléaire,
des comprimés contenant un isotope non radioactif de l’iode. Quel est l’intérêt de cette
mesure ? 

20

Devoir 3 – SP13-14


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